閆岸如，辛立軍，李亞杰，王智勇

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京 100124）

高質(zhì)量的鉗具需保證其既有一定的韌性，又有較高的耐磨性。60Si2Mn 鋼具有高強(qiáng)度、高疲勞極限和較好的塑性，常被用作鉗具材料，在機(jī)械加工前對(duì)其進(jìn)行熱處理，硬度能達(dá)到34～40 HRC。為進(jìn)一步提高鉗具表面硬度和耐磨性，經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行高頻淬火、鍍鉻等，高頻淬火后的硬度能達(dá)到50～54 HRC。經(jīng)過(guò)這樣處理的鉗具，其表面易產(chǎn)生裂紋，而使用壽命卻并未得到大幅提高。

激光已發(fā)展成為材料表面改性的重要手段之一，激光相變硬化可在不影響材料基體性能的前提下，提高表面的硬度和強(qiáng)度等性能。與大功率CO2激光器相比，大功率半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕，光電轉(zhuǎn)換效率高，波長(zhǎng)范圍為800～980 nm，具有較高的材料吸收率，且加工穩(wěn)定性好，在金屬材料表面處理領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文使用自主研制的大功率半導(dǎo)體激光器，對(duì)鉗具刃口部位進(jìn)行表面相變硬化及微觀組織與性能分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用虎口鉗材料為60Si2Mn 鋼，該材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。先對(duì)虎口鉗進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，表面硬度達(dá)到350～420 HV，并進(jìn)行氧化發(fā)黑。實(shí)驗(yàn)采用高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率為3000 W，激光器的光束聚焦光斑呈1 mm×6 mm 的矩形分布，這種矩形分布的光斑是材料表面處理領(lǐng)域需要的理想光斑（圖1）。由于聚焦后的光斑為非對(duì)稱(chēng)光斑，功率密度沿快軸和慢軸方向分布有很大差別，因此，在表面硬化過(guò)程中，沿光斑不同軸向的加工結(jié)果也有很大差別，實(shí)驗(yàn)先就此進(jìn)行了分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 60Si2Mn 鋼的化學(xué)成分組成

表2 沿不同軸向硬化的加工參數(shù)

圖1 光斑的不同軸向

用金相顯微鏡對(duì)硬化層的組織進(jìn)行觀測(cè)。先在試樣上選取所要觀測(cè)的部位，用線(xiàn)切割機(jī)切下，然后在切下的試樣上用不同型號(hào)的金相砂紙將觀察面磨光后再拋光，即在金相顯微鏡下觀察無(wú)劃痕。為更好地顯示金相組織，先用4 %硝酸酒精對(duì)觀察面進(jìn)行輕腐蝕，再用金相顯微鏡對(duì)相變硬化層、過(guò)渡層、受熱影響的基體進(jìn)行顯微組織觀測(cè)。之后用顯微硬度計(jì)對(duì)金相試樣進(jìn)行硬度測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 掃描方向?qū)Ρ确治?/h3>

由于半導(dǎo)體激光器光斑在快軸和慢軸方向上的能量密度分布有差異，所以沿不同軸掃描會(huì)得到不同的結(jié)果。

沿慢軸方向掃描的軌跡較窄，故能量分布較集中，單位時(shí)間內(nèi)能注入材料內(nèi)部更多的熱量。但由于半導(dǎo)體激光器光束沿慢軸方向掃描時(shí)，作用于試樣上每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為0.3 s，因此會(huì)造成虎口鉗刃口部位的齒尖熔化。

沿快軸方向掃描時(shí)，作用于試樣上每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為0.05 s，硬化層總體較淺，但能形成寬度較大的硬化層。

2.2 金相組織分析

經(jīng)過(guò)微觀組織觀察與顯微硬度分析，虎口鉗刃口部位相變強(qiáng)化區(qū)域按組織特點(diǎn)和硬度分布，可由表及里分為相變硬化層、過(guò)渡層、受熱影響的基體等（圖2）。

圖2 硬化區(qū)域形貌（100×）

2.2.1 相變硬化層

該區(qū)域的加熱溫度在Ac3以上[1]。在金相顯微鏡下觀察，相變硬化層又可分為表層區(qū)和完全淬硬區(qū)。如圖3 所示，表層區(qū)位于齒尖部位，即圖中“白亮”區(qū)域。在金相顯微鏡下通過(guò)大量的視場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，表層區(qū)組織為針狀的馬氏體和殘余奧氏體。馬氏體形態(tài)的變化是由相變形成的奧氏體晶粒大小和馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度決定的。試樣表層的細(xì)小針狀馬氏體是由于表層奧氏體晶粒較小且冷卻速度極快所致[2]。由于激光直接照射在試樣表面，使表面溫度很高，造成局部區(qū)域脫碳，引起硬度降低，略低于完全淬硬區(qū)的硬度值。表層區(qū)平均深度約0.057 mm。

圖3 表層區(qū)組織形態(tài)（500×）

表層區(qū)向內(nèi)為完全淬硬區(qū)，如圖4 所示的白色區(qū)域。由于激光強(qiáng)化材料表面被快速加熱和冷卻，組織轉(zhuǎn)變是在極大過(guò)熱度和過(guò)冷度的非平衡組織轉(zhuǎn)變下進(jìn)行的，晶粒的形核率大大提高，短時(shí)間內(nèi)完成相變過(guò)程；同時(shí)，瞬時(shí)的快速自冷卻又使奧氏體來(lái)不及長(zhǎng)大，而獲得超細(xì)的晶粒和相變組織，因此，強(qiáng)化層組織非常細(xì)小，呈微細(xì)針狀，位錯(cuò)密度較高。此外，激光快速加熱，使得碳不能完成擴(kuò)散均勻化，在奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變中，出現(xiàn)高碳馬氏體，致使硬度提高。

圖4 過(guò)渡區(qū)組織形態(tài)（500×）

2.2.2 過(guò)渡層

相變硬化層與基體之間存在一個(gè)過(guò)渡層，處于強(qiáng)化層邊沿，呈窄帶狀，加熱溫度在Ac1～Ac3之間，溫度梯度相對(duì)較小，作用時(shí)間較短，原子的擴(kuò)散和遷移更不明顯，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和碳化物的溶解都不充分，未達(dá)到完全奧氏體化，相變不充分，晶粒也較粗大，自冷卻后的組織含有少量馬氏體，基體原始組織針狀索氏體和未溶碳化物。

2.2.3 受熱影響的基體組織

第3 層是受熱影響的基體組織（圖5）。加熱溫度在Ac1以下，原始組織發(fā)生輕微回火轉(zhuǎn)變，得到粗大的回火索氏體。

圖5 基體組織形態(tài)（1000×）

2.3 顯微硬度分析

從齒尖部位沿深度方向的硬度值分布見(jiàn)表3和圖6?？煽闯?，經(jīng)過(guò)表面相變硬化后，最外層硬度為773.9 HV0.1，次表層具有極高的硬度值，最高可達(dá)955 HV0.1，比基體硬度（400 HV0.1）提高約2～2.5 倍，硬化層硬度值隨著距表面距離的增加而下降，在過(guò)渡區(qū)附近硬度值迅速下降[3]，最后是原始基體的硬度400 HV。相變硬化層比基體硬度高約500 HV，這是因?yàn)楦吣芰棵芏鹊募す夤馐c材料相互作用過(guò)程中，試樣表面快速加熱和冷卻，形成極大的溫度梯度，過(guò)熱度大，相變驅(qū)動(dòng)力很大，奧氏體形核數(shù)目急劇增加，晶粒的形核率大大提高；奧氏體化時(shí)間較短，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，組織非常細(xì)小，可獲得超細(xì)晶粒；激光快速加熱，使得碳不能完成擴(kuò)散均勻化，在奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變中，出現(xiàn)高碳馬氏體，致使硬度提高。在以上因素的作用下，造成相變硬化區(qū)和基體之間的過(guò)渡區(qū)極薄，硬度急劇下降至原始硬度，形成極大的落差。

激光熱處理后完全淬硬層晶粒細(xì)化，馬氏體的位錯(cuò)密度高，是獲得超高硬度的主要原因。

表3 齒尖部位沿深度方向的顯微硬度

圖6 HV 硬度梯度曲線(xiàn)

3 結(jié)論

（1）大功率半導(dǎo)體激光器表面硬化時(shí)，沿快軸和慢軸硬化效果不同。沿慢軸方向掃描的軌跡較窄，硬化層較深，虎口鉗刃口部位的齒尖熔化；沿快軸方向掃描時(shí)，硬化層總體較淺，但可形成寬度較大的硬化層。

（2）60Si2Mn 激光表面硬化區(qū)域可分為相變硬化層、過(guò)渡層和受熱影響基體區(qū)三部分。相變硬化層中的表層組織為保持針狀形態(tài)的索氏體，平均深度約0.057 mm，低于完全淬硬層，完全淬硬層的硬度極高，組織為細(xì)化的馬氏體和碳化物。過(guò)渡層為極薄的窄帶狀，組織含有少量馬氏體，針狀索氏體和未溶碳化物。基體組織受熱發(fā)生輕微回火轉(zhuǎn)變，得到粗大回火索氏體。

（3）60Si2Mn 經(jīng)過(guò)表面相變硬化后，表層區(qū)（最外層）硬度為773.9 HV，完全淬硬層（次表層）具有極高的硬度值，最高可達(dá)955 HV，比基體硬度提高約2～2.5 倍，硬化層硬度值隨著距表面距離的增加而降低，在過(guò)渡層附近硬度值急劇下降，最后是原始基體的硬度400 HV。

[1]關(guān)振中.激光加工工藝手冊(cè)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[2]劉麗，吳東江，莊娟，等.30CrMnSiA 鋼激光相變硬化層組織[J].金屬熱處理，2003，28（8）：17－19.

[3]熊劍.國(guó)外熱處理新技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.